使用多物理模拟优化ISFET设计

啤酒发酵，土壤分析和乳制品的生产有什么共同点？乐动体育app无法登录它们都涉及使用对离子敏感的场效应晶体管（ISFET）进行pH测量。这些传感器小，高效且耐用，使其适合食物，环境和生物医学应用。但是，ISFET可以经历漂移，并且对不同的温度敏感，这限制了它们的准确性和稳定性。使用COMSOL®软件，工程师可以准确分析ISFET设计并提高其性能。

ISFET：应用程序，利益和设计注意事项

ISFET在设计上与金属 - 氧化物 - 氧化型野外晶体管（MOSFET）相似，并且与其他pH传感器相比，它们具有多种优势。首先，ISFET是由硅制成的，因此它们比通常由玻璃制成的其他选择更耐用。这对于食物，医疗，药物和环境领域的质量测试尤其有利，玻璃破损可能导致污染和挫折。

ISFET可以处理极高的酸和碱性pH水平，它们也很小，轻巧，快速并且具有高灵敏度。这些素质对于需要便携性和高性能的应用程序很有用，包括：

• 监视啤酒发酵
• 制造乳制品，例如奶酪，牛奶和酸奶乐动体育app无法登录
• 分析除草剂，化学物质和其他有毒化学物质的土壤
• 手持药物检测装置

典型ISFET的示意图。Huijunan的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。尽管没有在图纸中明确显示，但黑线被认为可以穿透黄橙色绝缘子，以与N+源和排水区域建立连接。

尽管有很多好处，但ISFET也有一些缺点，例如漂移和温度敏感性。它们的动态范围也有限，可以产生高水平的噪声。另外，ISFET运行所需的最小电压（即阈值电压）可能会有所不同。这些因素会影响ISFET准确性和稳定性，并导致需要进行频繁调整，这使得它们不适合生物传感应用（例如DNA分析）和处理电路。

为了解决这些因素，工程师必须在考虑化学反应和电磁现象等方面准确分析ISFET设计，等等。这comsolMultiphysics®软件，以及半导体模块以及微流体模块或化学工程附加模块，提供了仅此功能的功能。

有关用于建模ISFET的可用附加产品的详细信息，请查看乐动体育app无法登录乐动体育 ）。

使用COMSOL®软件对ISFET进行建模

这里突出显示的ISFET示例包括两个域：

1. 半导体
2. 电解质

半导体域类似于MOSFET，但是ISFET使用电解质而不是金属门。除了在这种类似模型中，电解质结构域除了一对通用阴离子和阳离子外，还含有氢气和氢氧化离子：扩散双层模型。

您可以在离子敏感的场效应晶体管（ISFET）教程的仿真。随附的文档提供了用于设置和求解模型的详细说明，如果您拥有COMSOL访问帐户和有效的软件许可证，则可以下载MPH文件。

您可以在分别建模每个域后将半导体和电解质域进行杂交。来自电解质的电势被施加在半导体结构域的氧化物表面上，并将来自半导体侧的位移场应用于电解质结构域的边界。

ISFET中的电势。

所得的耦合系统是非线性的，因此您需要使用一系列研究来解决该问题。

前三项研究解决了：

1. 电解质域
2. 半导体域
3. 在不同情况下耦合系统

然后，使用第四项研究来显示ISFET在反馈电路保持恒定排水电流时的正常操作下的性能。为了节省时间，无需明确对该电路进行建模。相反，您可以使用全局方程式来模拟反馈电路的效果。

评估模拟结果

从对电解质结构域的研究开始，您可以在其中心看到电解质电位。可以将结果与1D近似公式进行比较（模型文档中的参考文献1）。如下所示，结果的一般曲线与1D近似非常吻合。

ISFET模型（实心曲线）和1D近似（虚线曲线）的电解质电势。

接下来，您可以评估ISFET的操作。下面的左图表示当漏极电流由施加的栅极电压控制时，ISFET的响应，而右图则显示了三个不同的pH值对排水电流电流电压曲线的效果，而门电压固定。这些结果有助于设计师确定ISFET的最佳操作点。

左：ISFET的排水电流是施加的栅极电压的函数。右：pH值为3、7和11的排水电流。

一旦选择了工作点，就可以通过在恒定模式下使用反馈电路模拟ISFET来提取灵敏度曲线，如上所述。该曲线的斜率与参考纸的斜率匹配（模型文档中的参考文献1）。

ISFET的灵敏度。

使用类似的模型，工程师可以研究ISFET传感器设计并提高各种应用程序的性能。

下一步

是否想为自己尝试此ISFET模型？单击下面的按钮前往应用程序库。在那里，您可以找到示例的详细文档和MPH文件。